DE2159394C3 - Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer Frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer Frequenz mit einem Umrichter mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis, einem weiteren Umformer und einem Transformator.

Eine derartige Anordnung mit Gleichstromzwischenkreis ist bekannt aus der DE-OS 16 38 646.

Beim Betrieb von Stromverbrauchern mit großer Leistung ist es i. a. erwünscht, das speisende Wechselspannungsnetz (Quelle) möglichst zu schonen, d. h. Leistungen zu entnehmen, deren zeitlicher Verlauf stetig ist.

Es ist bekannt (Heumann/Stumpe »Thyristoren«, Teubner-Verlag, Stuttgart 1969, S. 198) zur Speisung von Wechselstromverbrauchern großer Leistung mit von der Netzfrequenz abweichender Frequenz zwangskommutierte Umrichter zu verwenden, welche einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen selbstgeführten Stromrichter enthalten und die Netzspannung in eine Spannung mit wählbarer Frequenz umformen. Zur Steuerung der Spannung im Gleichstromzwischenkreis ist es ferner aus der genannten Literaturstelle auf S. 199 bekannt, als netzgeführten Stromrichter eine steuerbare Gleichrichterbrücke zu verwenden, der ein netzgeführter Wechselrichter antiparallel geschaltet ist. Mittels einer derartigen Anordnung ist es jedoch nicht möglich, einen stetigen Verlauf der dem Netz entnommenen Leistung zu gewährleisten, da keine Möglichkeit besteht, den zeitlichen Verlauf der in den Gleichstromzwischenkreis eingespeisten Netzleistung zu beeinflussen.

Bei der aus der DE-OS 16 38 646 bekannten Umrichterschaltung wird bezweckt, eine Einsparung von Stromrichter-Bauleistung zu erreichen, wenn die maximale Spannung und der maximale Strom im Läuferkreis einer Asynchronmaschine zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. Es handelt sich um eine untersynchrone Stromrichterkaskade, die zwei Drehspannungsnetz-Läuferkreise und das Drehspannungsnetz, in das zurückgespeist wird, miteinander verbindet. Es ist kein weiterer Wechselspannungs-Zwischenkreis vorhanden. Da es sich um Drehspannungsnetze handelt, ist die übertragene Leistung konstant Die Glättungsdrossei des Gleichstromzwischenkreises muß nur die von den Stromrichtern erzeugte Oberschwingungsleistung speichern. Die Problematik der Belastung des speisenden Netzes mit zu hohen Leistungspulsationen besteht nicht und wird auch nicht gelöst

Bei einer aus der DE-OS 15 38165 bekannten

Einrichtung handelt es sich um einen Kaskadenwandler, wobei Schleifringläufermaschinen benutzt werden, um die Ausgangsfrequenz heraufzusetzen, — Drehfrequenz und Rotorfrequenz a&iieren sich zur Ausgangsfrequenz.

Die Einrichtung bezieht sich nur auf Maßnahmen an Getrieben und geschickten Reihenschaltungen von Maschinen, um die Ausgangsfrequenz auf einen gewünschten Wert zu regeln. Es handelt sich um »rotierende Frequenzumformer«.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, welche eine Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Einspeiseleistung eines Wechselspannungsnetzes in einem Umrichter ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß zwischen dem speisenden einphasigen Wechselspamungsnetz und dem Umrichter mit Gleichspannungs- oder -stromzwischenkreis ein fremdgeführter Direktumrichter als weiterer Umrichter, ein Wechselspannungszwischenkreis und der Transformator hintereinander geschaltet sind, daß der fremdgeführte Direktumrichter vom Wechselspannungszwischenkreis geführt ist und daß an letzterem ein Wechselspannungsspeicher angeschlossen ist.

In bevorzugter Weise ist als Wechselspannungsspeicher eine Synchronmaschine vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß der fremdgeführte Umrichter so gesteuert wird, daß der zeitliche Verlauf des Netzstromes sowie dessen zeitliche Lage zur Netzspannung beliebig vorgebbar sind.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß es ermöglicht wird, leistungsschwache Netze, wie z. B. Bahnnetze mit einem Leistungsfaktor cos Φ von annähernd 1 zu belasten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. la bis c Diagramme eines zeitlichen Verlaufs von Leistung, Spannung bzw. Strom eines mit der erfindungsgemäßen Anordnung verbundenen Wechselspannungsnetzes,

F i g. 2a bis c Diagramme eines zweiten zeitlichen Verlaufs von Leistung, Spannung bzw. Strom eines mit der erfindungsgemäßen Anordnung verbundenen Wechselspannungsnetzes

F i g. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.

In Fig. la ist der zeitliche Verlauf der aus dem Produkt der Netzspannung un und des Netzstromes /* gebildeten Netzleistung Pn in Form einer Geraden mit der Steigung null (konstante Leistung) mit durchgezogener Linie aufgetragen. Da die Netzspannung im allgemeinen sinusförmig verläuft (Fig. Ib), wird der dem Wechselspannungsnetz entnommene Strom in in seinem zeitlichen Verlauf so gewählt, daß das Produkt aus der Spannungsampiitude u, und der Stromamplitude ir. zu jedem beliebigen Zeitpunkt t, den in diesem

Beispiel gewünschten konstanten Wert ergibt. Wie man aus dem zeitlichen Verlauf des dem Wechselspannungsnetz entnommenen Stroms in entnehmen kanu (Fig.IcX steigt der Netzstrom /* im Bereich sehr kleiner Netzspannung-Augenblickswerte auf sehr große Werte an und besitzt bei Spannungsnulldurchgang theoretisch den Wert unendlich. Da Jiese Forderung in der Praxis nicht zu verwirklichen ist, treten im Bereich der Spannungsnulldurchgänge die in Fig. la mit gestrichelten Linien eingezeichneten Leistungseinbrüche auf.

In Fig.2a bis c sind Zeitdiagramme der Netzspannung Un und des Netzstroms //v für einen zeitlichen Verlauf der Netzleistung p/v in Form von positiven Sinushalbwellen (F i g. 2a) dargestellt Da die Netzspannung un wiederum sinusförmig vorgegeben ist (F i g. 2b), muß der dem Netz entnommene Strom is rechteckförmig mit wechselnden Polaritäten sein (F i g. 2c).

Es ist somit zur Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Speiseleistung N — i · u eines Wechselspannungsnetzes bei fest vorgegebener Netzspannung erforderlich, den Verlauf des dem Netz entnommenen Stroms sowie gegebenenfalls dessen zeitliche Lage zur Netzspannung (Phasenlage) beliebig vorgeben zu können.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in F i g. 3 dargestellt

Der aus einem Stromrichter 1, einem Gleichspannungszwischenkreis 10 und einem Stromrichter 2 bestehende Umrichter 3 wird von einem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 gespeist, wobei eine Umformung der Netzspannung in eine Wechselspannung am Ausgang des Umrichters 3 mit wählbarer Frequenz erfolgt Diese Ausgangsspannung wird einer Belastung 5 zugeführt, welche beispielsweise als Elektromotor ausgebildet sein kann. Zwischen dem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 und dem Umrichter 3 ist erfindungsgemäß ein fremdgeführter Direktumrichter 6 angeordnet welcher einen Wechselspannungszwischenkreis 7 speist Unter einem fremdgeführten Direktumrichter 6 wird ein mit steuerbaren Halbleiter- oder Gasentladungsventilen versehener Stromrichter verstanden, welcher die zur Löschung der steuerbaren Ventile erforderliche Kommutierungsspannung dem Wechselspannungszwischenkreis 7 entnimmt Die Frequenz des Wechselspannungszwischenkreises 7 ist dabei größer als die Frequenz des einphasigen Wechselspannungsnetzes 4. Der Wechselspannungszwischenkreis speist über einen Transformator 8 den Umrichter 3. Gegenüber den üblichen für die Netzfrequenz bemessenen Netztransformatoren zwischen dem einphasigen Wechselspannungsnetz 4 und dem Umrichter 3 kann der Transformator 8 der erfindungsgemäßen Anordnung für eine weit über der Netzfrequenz liegende Wechselstromzwischenkreisfrequenz ausgebildet werden, wodurch eine erhebliche Verkleinerung seiner Abmessungen ermöglicht ist Zur Führung der Spannung und der Frequenz des Wechselspannungszwischenkreises 7 ist dieser mit einem Wechselspannungsspeicher verbunden, der im Falle einer dreiphasigen Auslegung des Wechselspannungszwischenkreises 7 in Form einer Synchronmaschine 9 gewählt wird. Die Synchronmaschine 9 arbeitet bei Leistungsüberschuß im Wechselspannungszwischenkreis 7 im Motorbetrieb und bei Leistungsmangel im Wechselspannungszwischenkreis 7 im Generatorbetrieb.

Ausführungsbeispiele für den vorstehend beschriebenen fremdgeführten Umrichter sind beispielsweise in der Literaturstelle »Thyristoren« von Heumann/Stumpe, Teubner-Verlag, Stuttgart 1969 auf S. 116 ff beschrieben. Als besonders vorteilhaft für den fremdgeführten Direktumrichter 6 hat sich dabei ein Steuerumrichter erwiesen, wie er in der vorgenannten Literaturstelle auf S. 125 ff beschrieben ist. Als Umrichter 3 ist ein zwangskommutierter Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen, welcher in der genannten Literaturstelle auf S. 176 ff beschrieben ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umformung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung wählbarer Frequenz mit einem Umrichter mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis, einem weiteren Umrichter und einem Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem speisenden einphasigen Wechselspannungsnetz (4) und dem Umrichter (3) mit Gleichspannungs- oder -stromzwischenkreis (10) ein fremdgeführter Direktumrichter (6) als weiterer Umrichter, ein Wechselspanijungszwischenkreis (7) und der Transformator (8) hintereinander geschaltet sind, daß der fremdgeführte Direktumrichter (6) vom Wechselspannungszwischenkreis (7) geführt ist und daß an letzterem ein Wechselspannungsspeicher angeschlossen ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselspannungsspeicher eine Synchronmaschine (9) vorgesehen ist

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fremdgeführte Direktumrichter (6) so gesteuert wird, daß der zeitliche Verlauf des Netzstromes fa) sowie dessen zeitliche Lage zur Netzspannung (un) beliebig vorgebbar sind.